第七章 材料在环境介质作用下的力学性能

1、第第 七七 章章材料在环境介质作用下的材料在环境介质作用下的力学性能力学性能序序 金属机件在加工过程中往往产生残余应力，金属机件在加工过程中往往产生残余应力，在服役过程中又承受外加载荷，如果与周围在服役过程中又承受外加载荷，如果与周围环境中各种化学介质或氢相接触，便会产生环境中各种化学介质或氢相接触，便会产生特殊的断裂现象，其中主要有特殊的断裂现象，其中主要有应力腐蚀断裂应力腐蚀断裂和氢脆断裂和氢脆断裂等。这些断裂形式大多为低应力等。这些断裂形式大多为低应力脆断，具有很大的危险性。脆断，具有很大的危险性。 随着航空航天、海洋、原子能、石油、化工随着航空航天、海洋、原子能、石油、化工等工业的迅速

2、发展，对金属材料强度的要求等工业的迅速发展，对金属材料强度的要求越来越高，金属机件接触的化学介质的条件越来越高，金属机件接触的化学介质的条件越加苛刻，致使上述各种断裂形式逐年增多。越加苛刻，致使上述各种断裂形式逐年增多。因此，金属材料的应力腐蚀和氢脆现象日益因此，金属材料的应力腐蚀和氢脆现象日益受到工程设计人员及材料科学工作者的重视。受到工程设计人员及材料科学工作者的重视。 本章主要阐述本章主要阐述1 1）金属材料应力腐蚀和氢脆断裂）金属材料应力腐蚀和氢脆断裂特征及断裂机理特征及断裂机理2 2）金属材料抵抗应力腐蚀和氢脆）金属材料抵抗应力腐蚀和氢脆断裂的力学性能指标断裂的力学性能指标3 3）防

3、止应力腐蚀和氢脆断裂断裂）防止应力腐蚀和氢脆断裂断裂的措施。的措施。 第一节第一节 应力腐蚀应力腐蚀 一、应力腐蚀现象及其产生条件一、应力腐蚀现象及其产生条件 1 1应力腐蚀现象应力腐蚀现象 金属在金属在拉应力拉应力和和特定的化学介质特定的化学介质共同共同作用下，经过一段时间后所产生的低应作用下，经过一段时间后所产生的低应力脆断现象，称为应力腐蚀断裂（力脆断现象，称为应力腐蚀断裂（SCC)SCC)。 应力腐蚀断裂并不是金属在应力作用应力腐蚀断裂并不是金属在应力作用下的机械性破坏与在化学介质作用下的下的机械性破坏与在化学介质作用下的腐蚀性破坏的叠加所造成的，而是在应腐蚀性破坏的叠加所造成的，而是

4、在应力和化学介质的联合作用下，按特有机力和化学介质的联合作用下，按特有机理产生的断裂。其断裂强度比单个因素理产生的断裂。其断裂强度比单个因素分别作用后再叠加起来的要低得多。分别作用后再叠加起来的要低得多。 绝大多数金属材料在一定的化学介质条件绝大多数金属材料在一定的化学介质条件下都有应力腐蚀倾向。在工业上最常见的有：下都有应力腐蚀倾向。在工业上最常见的有：低碳钢和低合金钢在苛性碱溶液中的低碳钢和低合金钢在苛性碱溶液中的“碱脆碱脆”和在含有硝酸根离子介质中的和在含有硝酸根离子介质中的“硝脆硝脆”；奥；奥氏体不锈钢在含有氯离子介质中的氏体不锈钢在含有氯离子介质中的“氯脆氯脆”；铜合金在氨气介质中的

5、铜合金在氨气介质中的“氨脆氨脆”；高强度铝；高强度铝合金在潮湿空气、蒸馏水介质中的脆裂现象合金在潮湿空气、蒸馏水介质中的脆裂现象等。等。 这些金属材料无论是韧性的或脆性的，产这些金属材料无论是韧性的或脆性的，产生应力腐蚀后都会在没有明显预兆的情况下生应力腐蚀后都会在没有明显预兆的情况下发生脆断，常常造成灾难性事故。发生脆断，常常造成灾难性事故。 2 2应力腐蚀产生的条件应力腐蚀产生的条件 (1) (1)机件所承受的应力机件所承受的应力 包括工作应包括工作应力和残余应力。在化学介质诱导开裂过力和残余应力。在化学介质诱导开裂过程中起作用的是拉应力程中起作用的是拉应力( (在压应力作用下在压应力作用

6、下也可产生应力腐蚀，但孕育期长，裂纹也可产生应力腐蚀，但孕育期长，裂纹扩展速率慢扩展速率慢) )。焊接、热处理或装配过程。焊接、热处理或装配过程中产生的残余拉应力，在应力腐蚀中也中产生的残余拉应力，在应力腐蚀中也有重要作用。一般来说，产生应力腐蚀有重要作用。一般来说，产生应力腐蚀的应力并不一定很大，如果没有化学介的应力并不一定很大，如果没有化学介质的协同作用，机件在该应力作用下可质的协同作用，机件在该应力作用下可以长期服役而不致断裂。以长期服役而不致断裂。 (2)(2)化学介质化学介质 只有在特定的化学介质中，某种只有在特定的化学介质中，某种金属材料才能产生应力腐蚀。金属材料才能产生应力腐蚀。

7、即对一定的金即对一定的金属材料，需要有一定特效作用的离子、分子属材料，需要有一定特效作用的离子、分子或络合物才能导致应力腐蚀。这些化学介质或络合物才能导致应力腐蚀。这些化学介质一般都不是腐蚀性的，至多也只是弱腐蚀性一般都不是腐蚀性的，至多也只是弱腐蚀性的。如果机件不承受应力，大多数金属材料的。如果机件不承受应力，大多数金属材料在这些化学介质中是耐蚀的。在这些化学介质中是耐蚀的。 (3)(3)金属材料金属材料 一般认为，一般认为，纯金属纯金属不会产生不会产生应力腐蚀，应力腐蚀，所有合金所有合金对应力腐蚀都有不同对应力腐蚀都有不同程度的敏感性。但在每一种合金系列中，程度的敏感性。但在每一种合金系列

8、中，都有对应力腐蚀不敏感的合金成分。例如，都有对应力腐蚀不敏感的合金成分。例如，铝镁合金中当镁含量大于铝镁合金中当镁含量大于4 4时，对应力时，对应力腐蚀很敏感；而镁含量小于腐蚀很敏感；而镁含量小于4 4时，则无时，则无论热处理条件如何，它几乎都具有抗应力论热处理条件如何，它几乎都具有抗应力腐蚀的能力。又如，钢中含碳量为腐蚀的能力。又如，钢中含碳量为0.120.12左右时，应力腐蚀敏感性最大。左右时，应力腐蚀敏感性最大。二、应力腐蚀断裂机理及断口形貌特征二、应力腐蚀断裂机理及断口形貌特征 (一一)应力腐蚀断裂机理应力腐蚀断裂机理 应力腐蚀断裂最基本的机理是滑移溶解应力腐蚀断裂最基本的机理是滑移

9、溶解理论理论( (或称或称钝化膜破坏理论钝化膜破坏理论) )和氢脆理论。和氢脆理论。 对应力腐蚀敏感的合金在特定的化学介质对应力腐蚀敏感的合金在特定的化学介质中，首先在表面形成一层钝化膜，使金属不致中，首先在表面形成一层钝化膜，使金属不致进一步受到腐蚀，即处于钝化状态，因此，在进一步受到腐蚀，即处于钝化状态，因此，在没有应力作用的情况下，金属不会发生腐没有应力作用的情况下，金属不会发生腐蚀破蚀破 坏。坏。若有拉应力作用若有拉应力作用，则可产，则可产生局部塑性变形，滑移台阶在生局部塑性变形，滑移台阶在表面露头时钝化膜破裂，显露表面露头时钝化膜破裂，显露出新鲜表面。出新鲜表面。 新鲜表面在电解质溶

10、液中成为阳极，新鲜表面在电解质溶液中成为阳极，而其余具有钝化膜的金属表面便成为阴而其余具有钝化膜的金属表面便成为阴极，从而形成腐蚀微电池。阳极金属变极，从而形成腐蚀微电池。阳极金属变成正离子成正离子( (MMMM+n+n +ne) +ne)进入电解质中而产进入电解质中而产生阳极溶解，于是在金属表面形成蚀坑。生阳极溶解，于是在金属表面形成蚀坑。 拉应力除促使裂纹尖端地区钝化膜破拉应力除促使裂纹尖端地区钝化膜破坏外，更主要的是在蚀坑或原有裂纹的坏外，更主要的是在蚀坑或原有裂纹的尖端形成应力集中，使阳极电位降低，尖端形成应力集中，使阳极电位降低，加速阳极金属的溶解。如果裂纹尖端的加速阳极金属的溶解。

11、如果裂纹尖端的应力集中始终存在，那么微电池反应便应力集中始终存在，那么微电池反应便不断进行，钝化膜不能恢复，裂纹将逐不断进行，钝化膜不能恢复，裂纹将逐步向纵深扩展。步向纵深扩展。 ( (二二) )应力腐蚀断口特征应力腐蚀断口特征 应力腐蚀断口的宏观形应力腐蚀断口的宏观形貌与疲劳断口颇为相似，貌与疲劳断口颇为相似，也有亚稳扩展区和最后瞬也有亚稳扩展区和最后瞬断区。在断区。在亚稳扩展区可见亚稳扩展区可见到腐蚀产物和氧化现象，到腐蚀产物和氧化现象，故常呈黑色或灰黑色。故常呈黑色或灰黑色。最最后瞬断区一般为快速撕裂后瞬断区一般为快速撕裂破坏。破坏。 应力腐蚀显微裂纹如图应力腐蚀显微裂纹如图所示，常有分

12、叉现象，呈所示，常有分叉现象，呈枯树枝状。枯树枝状。 断口的断口的微观形貌微观形貌一般为沿晶断裂型，也一般为沿晶断裂型，也可能为穿晶解理断裂或准解理断裂型，可能为穿晶解理断裂或准解理断裂型，有时还出现混合断裂型。其表面可见到有时还出现混合断裂型。其表面可见到“泥状花样泥状花样”的腐蚀产物的腐蚀产物( (图图6-36-3a)a)及腐及腐蚀坑蚀坑( (图图6-36-3b)b)。 三、应力腐蚀抗力指标三、应力腐蚀抗力指标 通常用光滑试样在拉应力和通常用光滑试样在拉应力和化学介质共同作用化学介质共同作用下，依据发生断裂前的持续时间来评定金属材下，依据发生断裂前的持续时间来评定金属材料的抗应力腐蚀性能。

13、采用一组相同试样，在料的抗应力腐蚀性能。采用一组相同试样，在不同应力水平作用下测定其断裂时间不同应力水平作用下测定其断裂时间tf，作出作出-tf曲线，从而求出该种材料不发生应力腐蚀曲线，从而求出该种材料不发生应力腐蚀 的临界应力的临界应力scc，据此来据此来 研究合金元素、组织结构研究合金元素、组织结构 及化学介质对材料应力腐及化学介质对材料应力腐 蚀敏感性的影响。蚀敏感性的影响。 这种方法所用的试样是光滑的，所测这种方法所用的试样是光滑的，所测定的断裂总时间定的断裂总时间tf包括裂纹形成与裂纹包括裂纹形成与裂纹扩展的时间。前者约占断裂总时间的扩展的时间。前者约占断裂总时间的90。而实际机件一

14、般都不可避免地。而实际机件一般都不可避免地存在着裂纹或类似裂纹的缺陷。因此，存在着裂纹或类似裂纹的缺陷。因此，用常规方法测定的金属材料抗应力腐用常规方法测定的金属材料抗应力腐蚀性能指标矿蚀性能指标矿scc不能客观地反映带裂不能客观地反映带裂纹的机件对应力腐蚀的抗力。纹的机件对应力腐蚀的抗力。 根据断裂力学原理，利用预制裂纹的根据断裂力学原理，利用预制裂纹的试样，引入应力场强度因子试样，引入应力场强度因子KI的概念的概念来研究金属材料的抗应力腐蚀性能，来研究金属材料的抗应力腐蚀性能，得到了两个重要的应力腐蚀抗力指标，得到了两个重要的应力腐蚀抗力指标，即即应力腐蚀临界应力场强度因子应力腐蚀临界应力

15、场强度因子KIscc和和应力腐蚀裂纹扩展速率应力腐蚀裂纹扩展速率dadt。 这两个指标可用于机件的选材和设计。这两个指标可用于机件的选材和设计。 (一一)应力腐蚀临界应力场强度因子应力腐蚀临界应力场强度因子KIscc 在恒定载荷和特定化学介质作用下，带有预在恒定载荷和特定化学介质作用下，带有预制裂纹的金属试样，产生应力腐蚀断裂的时制裂纹的金属试样，产生应力腐蚀断裂的时间与初始应力场强度因子间与初始应力场强度因子KI初初有关。有关。 某种钛合金的预制裂纹试样在恒载荷下，于某种钛合金的预制裂纹试样在恒载荷下，于3.5NaCl水溶液中进行应力腐蚀试验。该合水溶液中进行应力腐蚀试验。该合金的金的KIC

16、=100MPam12，当当KI初初KIC时，加上时，加上初始载荷后，裂纹便初始载荷后，裂纹便立即失稳扩展而断裂。立即失稳扩展而断裂。当当KI初初降低时，应力降低时，应力腐蚀断裂时间腐蚀断裂时间tf随之增长。随之增长。 在这一段时间内，尽管外加应力不在这一段时间内，尽管外加应力不变，但裂纹长度却不断增长，相应变，但裂纹长度却不断增长，相应的的KI值随之不断增加。当值随之不断增加。当KI值增加值增加到材料的到材料的KIC时，试样便突然断裂。时，试样便突然断裂。因此，虽然试样上裂纹尖端所受的因此，虽然试样上裂纹尖端所受的初始应力场强度因子初始应力场强度因子KI初初较低，但经较低，但经亚稳扩展后，亚稳

17、扩展后，KI不断增大，直至达不断增大，直至达到临界值而脆断。到临界值而脆断。 当当KI初初38 MPam12时，该合金试样时，该合金试样不发生应力腐蚀断裂。将试样在特定不发生应力腐蚀断裂。将试样在特定化学介质中不发生应力腐蚀断裂的最化学介质中不发生应力腐蚀断裂的最大应力场强度因子称为大应力场强度因子称为应力腐蚀临界应力腐蚀临界应力场强度因子应力场强度因子(或称为或称为应力腐蚀门应力腐蚀门槛值槛值)，以，以KIscc表示。表示。 对于大多数金属材料，在特定的化学对于大多数金属材料，在特定的化学介质中介质中KIscc值是一定的。因此，值是一定的。因此，KIscc可可作为金属材料的力学性能指标。它表

18、作为金属材料的力学性能指标。它表示含有宏观裂纹的材料，在应力腐蚀示含有宏观裂纹的材料，在应力腐蚀条件下的断裂韧度。条件下的断裂韧度。 对于含有裂纹的机件，当作用于裂纹对于含有裂纹的机件，当作用于裂纹尖端的初始应力场强度因子尖端的初始应力场强度因子KI初初KIscc时，原始裂纹在化学介质和力的共同时，原始裂纹在化学介质和力的共同作用下不会扩展，机件可以安全服役。作用下不会扩展，机件可以安全服役。因此，因此，KI初初KIscc为金属材料在应力腐为金属材料在应力腐蚀条件下的断裂判据（最后断裂的条蚀条件下的断裂判据（最后断裂的条件仍是件仍是.）。）。测定金属材料的测定金属材料的KIscc 可用恒载荷法

19、或恒位移法。其中以恒载荷的可用恒载荷法或恒位移法。其中以恒载荷的悬臂梁弯曲试验法最常用。悬臂梁弯曲试验法最常用。 试样的一端固定在机架上，另一端与力臂相试样的一端固定在机架上，另一端与力臂相连，力臂端头通过砝码进行加载，试样穿在连，力臂端头通过砝码进行加载，试样穿在溶液槽中，使溶液槽中，使预制裂纹沉浸在化预制裂纹沉浸在化学介质中。在整个学介质中。在整个试验过程中载荷恒试验过程中载荷恒定，所以随着裂纹定，所以随着裂纹的扩展，裂纹尖端的扩展，裂纹尖端的的KI增大。增大。 试验时，必须制备一组尺寸相同的试验时，必须制备一组尺寸相同的试样，每个试样承受不同的恒定载试样，每个试样承受不同的恒定载荷荷F，

20、使裂纹尖端产生不同大小的初使裂纹尖端产生不同大小的初始应力场强度因子始应力场强度因子KI初初，记录试样在，记录试样在各种各种KI初初作用下的断裂时间作用下的断裂时间tf。以以KI初初与与lgtf为坐标作为坐标作图，便可得到如图，便可得到如图图6-5所示的曲所示的曲线。曲线水平部线。曲线水平部分所对应的分所对应的KI初初值即为材料的值即为材料的KIscc。 (二二)应力腐蚀裂纹扩展速率应力腐蚀裂纹扩展速率dadt 当应力腐蚀裂纹尖端的当应力腐蚀裂纹尖端的KIKIscc时，裂纹时，裂纹就会不断扩展。单位时间内裂纹的扩展就会不断扩展。单位时间内裂纹的扩展量叫做应力腐蚀裂纹扩展速率，用量叫做应力腐蚀裂

21、纹扩展速率，用dadt表示。实验证明，表示。实验证明，dadt与与KI有关，即有关，即 在在lg(dadt)- KI坐标坐标图上，其关系曲线图上，其关系曲线如图如图6-7所示。曲线所示。曲线可分为三个阶段。可分为三个阶段。 第第I阶段：当阶段：当KI刚超过刚超过KIscc时，时，裂纹经过一段裂纹经过一段孕育期后突然孕育期后突然加速扩展，加速扩展，lg(dadt)- KI曲线几乎与纵曲线几乎与纵坐标轴平行。坐标轴平行。 第第阶段：曲线出阶段：曲线出现水平线段，现水平线段，dadt与与KI几乎无关。几乎无关。因为这时裂纹尖端因为这时裂纹尖端发生分叉现象（老发生分叉现象（老裂纹不扩展），裂裂纹不扩展

22、），裂纹扩展主要受电化纹扩展主要受电化学过程控制，故与学过程控制，故与材料和环境密切相材料和环境密切相关。关。 第第阶段：裂纹长阶段：裂纹长度已接近临界尺寸，度已接近临界尺寸，dadt又明显地依又明显地依赖于赖于KI，dadt随随KI增大而急剧增大。增大而急剧增大。这时材料进入失稳这时材料进入失稳扩展的扩展的过渡区过渡区。当。当KI达到达到KIC时便失稳时便失稳扩展而断裂。扩展而断裂。 第第阶段时间越长，材料抗应力腐阶段时间越长，材料抗应力腐蚀性能越好。如果通过试验测出某蚀性能越好。如果通过试验测出某种材料在第种材料在第阶段的阶段的dadt值值及第及第阶段结束时的阶段结束时的KI值值，就可估算

23、出，就可估算出机件在应力腐蚀条件下的剩余寿命。机件在应力腐蚀条件下的剩余寿命。 四、防止应力腐蚀的措施四、防止应力腐蚀的措施 (1)合理选择金属材料合理选择金属材料 针对机件所受的应力针对机件所受的应力和接触的化学介质，选用耐应力腐蚀的金属和接触的化学介质，选用耐应力腐蚀的金属材料，这是一个基本原则。例如，铜对氨的材料，这是一个基本原则。例如，铜对氨的应力腐蚀敏感性很高，因此，接触氨的机件应力腐蚀敏感性很高，因此，接触氨的机件就应避免使用铜合金。又如，在高浓度氯化就应避免使用铜合金。又如，在高浓度氯化物介质中，一般物介质中，一般可选用可选用不含镍、铜或仅含微不含镍、铜或仅含微量镍、铜的低碳高铬

24、铁素体不锈钢，或含硅量镍、铜的低碳高铬铁素体不锈钢，或含硅较高的铬镍不锈钢，也可选用镍基和铁镍较高的铬镍不锈钢，也可选用镍基和铁镍基耐蚀合金。基耐蚀合金。 此外，在选材时还应尽可能选用此外，在选材时还应尽可能选用KIscc较高较高的合金，以提高机件抗应力腐蚀的能力。的合金，以提高机件抗应力腐蚀的能力。 (2)减少或消除机件中的残余拉应力减少或消除机件中的残余拉应力 残余拉应力是产生应力腐蚀的重要残余拉应力是产生应力腐蚀的重要原因，主要是由于金属机件的设计和原因，主要是由于金属机件的设计和加工工艺不合理而产生的。因此，应加工工艺不合理而产生的。因此，应尽量减少机件上的应力集中，加热和尽量减少机件

25、上的应力集中，加热和冷却要均匀。必要时可采用退火工艺冷却要均匀。必要时可采用退火工艺以消除应力。如果能采用喷丸或其他以消除应力。如果能采用喷丸或其他表面处理方法，使机件表层中产生一表面处理方法，使机件表层中产生一定的残余压应力，则更为有效。定的残余压应力，则更为有效。 (3)改善化学介质改善化学介质 可从两方面考虑：一方面设法减少和可从两方面考虑：一方面设法减少和消除促进应力腐蚀开裂的有害化学离子，消除促进应力腐蚀开裂的有害化学离子，例如，通过水净化处理，降低冷却水与例如，通过水净化处理，降低冷却水与蒸汽中的氯离子含量，对预防奥氏体不蒸汽中的氯离子含量，对预防奥氏体不锈钢的氯脆十分有效；另一方

26、面，也可锈钢的氯脆十分有效；另一方面，也可在化学介质中添加缓蚀剂，例如，在高在化学介质中添加缓蚀剂，例如，在高温水中加入温水中加入30010-6磷酸盐，可使铬镍磷酸盐，可使铬镍奥氏体不锈钢抗应力腐蚀性能大为提高。奥氏体不锈钢抗应力腐蚀性能大为提高。 (4)采用电化学保护采用电化学保护 由于金属在化学由于金属在化学介质中只有在一定的电极电位范围内介质中只有在一定的电极电位范围内才会产生应力腐蚀现象，因此，采用才会产生应力腐蚀现象，因此，采用外加电位的方法，使金属在化学介质外加电位的方法，使金属在化学介质中的电位远离应力腐蚀敏感电位区域，中的电位远离应力腐蚀敏感电位区域，也是防止应力腐蚀的一种措施

27、，一般也是防止应力腐蚀的一种措施，一般采用阴极保护法。但高强度钢或其他采用阴极保护法。但高强度钢或其他氢脆敏感的材料，不能采用阴极保护氢脆敏感的材料，不能采用阴极保护法。法。 第二节第二节 氢氢 脆脆 一、氢在金属中的存在形式一、氢在金属中的存在形式 由于由于氢和应力氢和应力的共同作用而导致金属材的共同作用而导致金属材料产生脆性断裂的现象，称为氢脆断裂料产生脆性断裂的现象，称为氢脆断裂(简称氢脆简称氢脆)。 金属中氢的来源可分为金属中氢的来源可分为“内含的内含的”和和“外来的外来的”两种。前者是指金属在熔炼两种。前者是指金属在熔炼过程中及随后的加工制造过程过程中及随后的加工制造过程(如焊接、如

28、焊接、酸洗、电镀等酸洗、电镀等)中吸收的氢；后者则是金中吸收的氢；后者则是金属机件在服役时从含氢环境介质中吸收属机件在服役时从含氢环境介质中吸收的氢。的氢。 在一般情况下，氢以间隙原子状态固溶在一般情况下，氢以间隙原子状态固溶在金属中，对于大多数工业合金，氢的在金属中，对于大多数工业合金，氢的溶解度随温度降低而降低。溶解度随温度降低而降低。 氢在金属中也可通过扩散聚集在较大的氢在金属中也可通过扩散聚集在较大的缺陷缺陷(如空洞、气泡、裂纹等如空洞、气泡、裂纹等)处，以氢处，以氢分子状态存在。分子状态存在。 氢还可能和一些过渡族、稀土或碱土金氢还可能和一些过渡族、稀土或碱土金属元素作用生成氢化物。

29、属元素作用生成氢化物。 氢可以与金属中的第二相作用生成气体氢可以与金属中的第二相作用生成气体产物，如钢中的氢可以和渗碳体中的碳产物，如钢中的氢可以和渗碳体中的碳原子作用形成甲烷等。原子作用形成甲烷等。 二、氢脆类型及其特征二、氢脆类型及其特征 在任何情况下，氢对金属性能的在任何情况下，氢对金属性能的影响都是有害的。影响都是有害的。氢可通过不同氢可通过不同的机制使金属脆化，因而氢脆的的机制使金属脆化，因而氢脆的种类很多。常见的几种氢脆现象种类很多。常见的几种氢脆现象及其特征简介如下。及其特征简介如下。 1氢蚀氢蚀 这是由于氢与金属中的第二相作用生成高这是由于氢与金属中的第二相作用生成高压气体，使

30、基体金属晶界结合力减弱而导致压气体，使基体金属晶界结合力减弱而导致金属脆化。如碳钢在金属脆化。如碳钢在300500的高压氢气的高压氢气氛中工作时，由于氢与钢中的碳化物作用生氛中工作时，由于氢与钢中的碳化物作用生成高压的成高压的CH4气泡，当气泡在晶界上达到一气泡，当气泡在晶界上达到一定密度后，金属的塑性将大幅度降低。定密度后，金属的塑性将大幅度降低。这种这种氢脆现象的断裂源产生在机件与高温、高压氢脆现象的断裂源产生在机件与高温、高压氢气相接触的部位。氢气相接触的部位。对碳钢来说，温度低于对碳钢来说，温度低于220时不产生氢蚀。时不产生氢蚀。 氢蚀断裂的宏观断口形貌呈氧化色，颗粒氢蚀断裂的宏观断

31、口形貌呈氧化色，颗粒状。微观断口上状。微观断口上晶界晶界明显加宽，呈沿晶断裂。明显加宽，呈沿晶断裂。 2白点白点(发裂发裂) 当钢中含有过量的氢时，随着温度降当钢中含有过量的氢时，随着温度降低氢在钢中的溶解度减小。如果过饱和低氢在钢中的溶解度减小。如果过饱和的氢未能扩散逸出，便聚集在某些缺陷的氢未能扩散逸出，便聚集在某些缺陷处而形成氢分子。此时，氢的体积发生处而形成氢分子。此时，氢的体积发生急剧膨胀，内压力很大足以将金属局部急剧膨胀，内压力很大足以将金属局部撕裂，而形成微裂纹。这种微裂纹的断撕裂，而形成微裂纹。这种微裂纹的断面呈圆形或椭圆形，颜色为银白色，故面呈圆形或椭圆形，颜色为银白色，故称

32、为白点。在称为白点。在Cr-Ni结构钢的大锻件中白结构钢的大锻件中白点是一种严重缺陷，历史上曾因此造成点是一种严重缺陷，历史上曾因此造成许多重大事故。许多重大事故。 下图为下图为10CrNiMoV钢锻材调质后纵断钢锻材调质后纵断面上的白点形貌。人们对白点的成因面上的白点形貌。人们对白点的成因及防止方法已进行了大量而详尽的研及防止方法已进行了大量而详尽的研究，成功地采用了精炼除气、锻后缓究，成功地采用了精炼除气、锻后缓冷或等温退火，以及在钢中加入稀土冷或等温退火，以及在钢中加入稀土或其他微量元素等方法，可使白点减或其他微量元素等方法，可使白点减弱或消除。弱或消除。 3氢化物致脆氢化物致脆 对于对

33、于B或或VB族金属族金属(如纯钛、如纯钛、钛钛合金、镍、钒、锆、铌及其合金合金、镍、钒、锆、铌及其合金)，由，由于它们与氢有较大的亲和力，极易生成于它们与氢有较大的亲和力，极易生成脆性氢化物，使金属脆化。例如，在室脆性氢化物，使金属脆化。例如，在室温下，氢在温下，氢在钛中的溶解度较小，钛钛中的溶解度较小，钛与氢又具有较大的化学亲和力，因此容与氢又具有较大的化学亲和力，因此容易形成氢化钛易形成氢化钛(TiHx)而产生氢脆。而产生氢脆。 4氢致延滞断裂氢致延滞断裂 高强度钢或高强度钢或+钛合金中，含有适量钛合金中，含有适量的处于固溶状态的氢，在低于屈服强的处于固溶状态的氢，在低于屈服强度的应力持续

34、作用下，经过一段孕育度的应力持续作用下，经过一段孕育期后，在金属内部，特别是在三向拉期后，在金属内部，特别是在三向拉应力区形成裂纹，裂纹逐步扩展，最应力区形成裂纹，裂纹逐步扩展，最后突然发生脆性断裂。这种由于氢的后突然发生脆性断裂。这种由于氢的作用而产生的延滞断裂现象称为氢致作用而产生的延滞断裂现象称为氢致延滞断裂。延滞断裂。工程上所说的氢脆，大多工程上所说的氢脆，大多数是指这类氢脆而言的。数是指这类氢脆而言的。 氢致延滞断裂的特点：氢致延滞断裂的特点： 1)只在一定温度范围内出现，如高强度只在一定温度范围内出现，如高强度钢多出现在钢多出现在-100150之间，而以室之间，而以室温下最敏感。温

35、下最敏感。2)提高应变速率，材料对氢脆的敏感性提高应变速率，材料对氢脆的敏感性降低。因此，只有在慢速加载试验中降低。因此，只有在慢速加载试验中才能显示这类脆性。才能显示这类脆性。3)此类氢脆显著降低金属材料的断后伸长此类氢脆显著降低金属材料的断后伸长率，但含氢量超过一定数值后，断后伸率，但含氢量超过一定数值后，断后伸长率不再变化，而断面收缩率则随含氢长率不再变化，而断面收缩率则随含氢量增加不断下降，且材料强度越高，下量增加不断下降，且材料强度越高，下降越剧烈。降越剧烈。4)高强度钢的氢致延滞断裂还具有可逆性，高强度钢的氢致延滞断裂还具有可逆性，即钢材经低应力慢速应变后，由于氢脆即钢材经低应力慢

36、速应变后，由于氢脆使塑性降低。如果卸除载荷，停留一段使塑性降低。如果卸除载荷，停留一段时间再进行高速加载，则钢的塑性可以时间再进行高速加载，则钢的塑性可以得到恢复，氢脆现象消除。得到恢复，氢脆现象消除。 三、钢的氢致延滞断裂机理三、钢的氢致延滞断裂机理 高强度钢对氢致延滞断裂非常敏感。其断裂高强度钢对氢致延滞断裂非常敏感。其断裂过程也可分为三个阶段，即孕育阶段、裂纹过程也可分为三个阶段，即孕育阶段、裂纹亚稳扩展阶段及失稳扩展阶段。亚稳扩展阶段及失稳扩展阶段。 钢的表面单纯吸附氢原子是不会产生氢脆的，钢的表面单纯吸附氢原子是不会产生氢脆的，氢必须进入氢必须进入-Fe-Fe晶格中并偏聚到一定浓度后

37、晶格中并偏聚到一定浓度后才能形成裂纹。因此，才能形成裂纹。因此，由环境介质中的氢引由环境介质中的氢引起氢致延滞断裂必须经过三个步骤起氢致延滞断裂必须经过三个步骤，即氢原，即氢原子进入钢中、氢在钢中迁移和氢的偏聚。这子进入钢中、氢在钢中迁移和氢的偏聚。这三个步骤都需要时间，这就是氢致延滞断裂三个步骤都需要时间，这就是氢致延滞断裂的孕育阶段。的孕育阶段。 钢中的氢一般固溶于钢中的氢一般固溶于-Fe-Fe晶格中，使晶格中，使晶格产生膨胀性弹性畸变。当有刃型晶格产生膨胀性弹性畸变。当有刃型位错的应力场存在时，氢原子便与位位错的应力场存在时，氢原子便与位错产生交互作用，迁移到位错线附近错产生交互作用，迁

38、移到位错线附近的拉应力区，形成氢气团。显然，在的拉应力区，形成氢气团。显然，在位错密度较高的区域，其氢的浓度也位错密度较高的区域，其氢的浓度也较高。较高。 由于氢使由于氢使-Fe-Fe晶格膨胀，故拉应力将晶格膨胀，故拉应力将促进氢的溶解。在外加应力作用下，促进氢的溶解。在外加应力作用下，金属中已形成裂纹的尖端是金属中已形成裂纹的尖端是三向拉应三向拉应力区力区，因而氢原子易于向裂纹尖端区，因而氢原子易于向裂纹尖端区域聚集。氢原子一般偏聚在裂纹尖端域聚集。氢原子一般偏聚在裂纹尖端塑性区与弹性区的界面上，当偏聚浓塑性区与弹性区的界面上，当偏聚浓度再次达到临界值时，便使这个区域度再次达到临界值时，便使这个区域明显脆化而形成新裂纹。明显脆化而形成新裂纹。 新裂纹与原裂纹的尖端新裂纹与原裂纹的尖端相汇合，裂纹便扩展一相汇合，裂纹便扩展一段距离，随后又停止。段距离，随后又停止。以后是再孕育、再扩展；以后是再孕育、再扩展；最后，当裂纹经亚稳扩最后，当裂纹经亚稳扩展达到临界尺寸时便失展达到临界尺寸时便失稳扩展而断裂。因此，稳扩展而断裂。因此，氢致裂纹的扩展方式是氢致裂纹的扩展方式是步进式步进式，这是与应力腐，这是与应力腐蚀裂纹渐进式扩展方式蚀裂纹渐进式扩展方式不同的。不同的。 四、防止氢脆的措施四、防止氢脆的措施1 1环境因素环境因素 设